Расчет и подбор пневмоцилиндра необходим для работы привода с оптимальным усилием и расходом воздуха. Существуют табличный и расчетный методы подбора.
Расчет пневмоцилиндров относят к инженерно-конструкторским задачам, которые решают для создания оптимальных условий работы привода. На эффективность и экономичность узла влияет несколько составляющих:
- Способность создавать необходимое и достаточное для выполнения операции усилие.
- Использование воздуха (сжатой газовой среды) в пределах технологической потребности и разумного запаса.
- Способность сохранять усилие на всем протяжении хода поршня и не создавать избыточной нагрузки на привод.
- Возможность сохранить работоспособность узла за счет уменьшения износа и перегрузок.
Привычка создавать запас мощности приводит к выбору избыточных параметров, это становится причиной завышенного потребления газа, перерасхода энергии на обеспечение давления в системе. Усилие пневмоцилиндра, давление и потребление (расход) воздуха при определенном ходе поршня – основные расчетные критерии.
Способы определения усилия
Подбор пневмоцилиндра для определенного привода можно строить на двух основных методах:
- Расчетный предполагает нахождение (вычисление) значений рабочих параметров для узла, исходя из данных о потребном усилии, давлении и расходе рабочего газа.
- Табличный позволяет найти соотношение усилия, площади и хода поршня и давления (расхода) из ранее рассчитанных вариантов для применения типового готового решения.
В первом случае решается конструкторская задача, во втором – прикладная инженерная, производственная.
В основе расчетного метода лежит определение развиваемого узлом усилия, приложенного к штоку. Исходными данными служат диаметр поршня пневмоцилиндра, рабочее давление и сила сопротивления, трения. Осевое усилие на неподвижном штоке без поправки на силы трения и сопротивления присоединенного привода принято называть теоретическим (F) и рассчитывать, исходя из площади поршня (S) и давления среды (p) : F = Sp.
Практически потребное усилие на штоке пневмоцилиндра, в зависимости от диаметра поршня, отражает величину силы, при приложении которой поршень будет свободно перемещаться в цилиндре, преодолевая сопротивление трения, приводного механизма, остаточного давления (для двухстороннего пневмоцилиндра). В данном случае решают прикладную задачу вычисления силы, достаточной для работы привода, поэтому исходят из диапазона запаса усилия, на 25-50% превышающего теоретическое.
По результатам расчета можно получить значения площади и давления, достаточные для компенсации сопротивления и снижения давления по мере увеличения объема камеры при движении поршня. Падение на практике может достигать 20% от первоначального, что приведет к снижению усилия от 10% (примерно).
Важно: расчет практического усилия должен учитывать сопротивление привода, к которому присоединен пневмоцилиндр. Без этого узел не будет работать или не сможет развить эффективное рабочее усилие.
Расчетный метод
Расчетный метод можно применить для решения обратной задачи – вычисления диаметра цилиндра на основе заданной нагрузки. Это позволяет определить диапазон значений для отбора конкретного узла по основным критериям и техническим характеристикам.
Расчет пневмоцилиндра двустороннего действия:
прямой ход штока на выдвижение – FD = h (π/4) D²p, где коэффициент h позволяет учесть горизонтальную нагрузку и трение с постоянным значением 1 или динамическим знакопеременным – 0,7. Соответственно общепринятым обозначениям D – это диаметр поршня, р – давление, d – диаметр штока.
Расчет усилия пневмоцилиндра одностороннего действия учитывает преодоление сопротивления возвратной пружины в точке максимального сжатия и привода для прямого хода штока (под нагрузкой):
FD = h (π/4) D²p – FS, где FS отражает эффект сопротивления пружины в конце рабочего хода.
Табличный метод
Табличный метод подбора пневмоцилиндра позволяет обойтись без вычислений, то есть решить практическую задачу, зная диапазон параметров и характеристики узла. В приведенной ниже таблице даны значения для подбора пневмоцилиндра по теоретической силе.
Расход воздуха пневмоцилиндра
Расчет давления пневмоцилиндра позволяет перейти к поиску оптимального значения расхода воздуха. В приведенной ниже таблице данные приведены для:
- рабочего хода штока с усилием;
- обратного хода штока;
- полного цикла (такта) срабатывания пневмоцилиндра двухстороннего действия.
Исходным значением избыточного давления принята величина 6 бар, полученная из показателей эффективной площади поршня и абсолютного давления с последующим делением на миллион. Под абсолютным значением следует понимать сумму давления показателей давления на приборе (манометре) и показателя атмосферного давления, которое в практических условиях можно принять за 1 бар.
Расчет потребления воздуха пневмоцилиндром с использованием таблицы означает вычисление максимального объема рабочей полости цилиндра с умножением на абсолютное давление.
При переходе к практической части выбора необходимо учесть, что полости, трубки, фитинги и прочие конструктивные элементы увеличивают общий объем, значит, давление может снизиться, что приведет к замедлению хода поршня и увеличению времени на рабочий цикл. Для компенсации потерь можно увеличить показатель расхода воздуха на 5-10%.